黄蓉电力电子毕业课程设计报告.docx
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黄蓉电力电子毕业课程设计报告
电力电子技术课程设计
班级：
自动0401
学号：
姓名：
黄蓉
指导老师：
刘大年
扬州大学信息工程学院自动化专业
二零零七年九月
目录
第一部分课题要求
一、课程设计的目的与要求………………………………………………………………2
二、课程设计报告的要求…………………………………………………………………2
三、课程设计的内容………………………………………………………………………2
第二部分基本概念简介
一、逆变的基本概念…………………………………………………………………………3
二、换流的基本概念…………………………………………………………………………4
三、逆变电路的分类…………………………………………………………………………6
四、半桥逆变电路的基本概念………………………………………………………………6
五、全桥逆变电路的基本概念………………………………………………………………7
六、三相逆变电路的原理图…………………………………………………………………8
第三部分三相逆变电路参数的设计
一、具体电路设计……………………………………………………………………………9
二、课程设计总结……………………………………………………………………………13
三、参考资料…………………………………………………………………………………14
第四部分PSPICE仿真软件概述………………………………………………14
第一部分课题要求
一课程设计的目的与要求
1进一步熟悉和掌握电力电子原器件的特性；
2进一步熟悉和掌握电力电子电路的拓扑结构和工作原理
3掌握电力电子电路设计的基本方法和技术，掌握有关电路参数设计方法；
4培养对电力电子电路的性能分析的能力；
5培养撰写研究设计报告的能力。
通过对一个电力电子电路的初步设计，巩固已学的电力电子技术课程设计知识，提高综合应用能力，为今后从事电力电子装置的设计工作打下基础。
二课程设计报告的要求
1、研究题目：
三相逆变电路的参数设计研究
2、课程设计的内容
1主电路方案确定
2绘制电路原理图、分析理论波形
3器件额定参数的计算
4建立仿真模型并进行仿真实验
5电路性能分析：
输出波形、器件上波形、参数的变化、谐波分析、故障分析等
第二部分基本概念简介
1、逆变的基本概念
逆变——与整流相对应，直流电变成交流电。
交流侧接电网，为有源逆变。
交流侧接负载，为无源逆变。
变频电路：
分为交交变频和交直交变频两种。
交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变。
主要应用：
1）各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。
2）交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。
3）单相桥式逆变电路
逆变以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理电路的基本工作原理
S1~S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。
图1逆变电路原理图
图2逆变电路理论波形
（1）S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正。
图3逆变电路S1，S4导通时原理图及理论波形
（2）S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负。
图4逆变电路S2，S3导通时原理图及理论波形
4）逆变电路最基本的工作原理——改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率
电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。
阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同。
2、换流的基本概念
1）换流——电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相。
开通：
适当的门极驱动信号就可使器件开通。
关断：
a\全控型器件可通过门极关断。
b\半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断。
c\一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能关断。
2）研究换流方式主要是研究如何使器件关断。
a\器件换流（DeviceCommutation）
利用全控型器件的自关断能力进行换流。
在采用IGBT、电力MOSFET、GTO、GTR等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。
b\电网换流（LineCommutation）
电网提供换流电压的换流方式。
将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断。
不需要器件具有门极可关断能力，但不适用于没有交流电网的无源逆变电路。
c\负载换流（LoadCommutation）
由负载提供换流电压的换流方式。
负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流。
如图是基本的负载换流电路，4个桥臂均由晶闸管组成。
整个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性。
直流侧串电感，工作过程可认为id基本没有脉动。
负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小。
所以uo接近正弦波。
注意触发VT2、VT3的时刻t1必须在uo过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。
图5负载换流原理电路
图6负载换流理论波形
d\强迫换流（ForcedCommutation）
设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反压或反电流的换流方式称为强迫换流。
通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为电容换流；由换流电路内电容直接提供换流电压称为直接耦合式强迫换流；通过换流电路内的电容和电感的耦合来提供换流电压或换流电流称为电感耦合式强迫换流
1、直接耦合式强迫换流：
当晶闸管VT处于通态时，预先给电容充电。
当S合上，就可使VT被施加反压而关断。
如图7
图7直接耦合式强迫换流电路原理图
2、电感耦合式强迫换流：
使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加上反向电压，也叫电流换流。
如图8
图8电感耦合式强迫换流电路原理图
3）换流方式总结：
器件换流——适用于全控型器件。
其余三种方式——针对晶闸管。
器件换流和强迫换流——属于自换流。
电网换流和负载换流——属于外部换流。
当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部终止流通而变为零，则称为
熄灭。
3、逆变电路的分类
1）逆变电路的分类——根据直流侧电源性质的不同
直流侧是电压源，电压型逆变电路——又称为电压源型逆变电路
VoltageSourceTypeInverter-VSTI
直流侧是电流源，电流型逆变电路——又称为电流源型逆变电路
CurrentSourceTypeInverter-VSTI
2）电压型逆变电路的特点
（1）直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。
（2）输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。
（3）阻感负载时需提供无功功率。
为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。
4、半桥逆变电路的基本概念
1、工作原理
V1和V2栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，两者互补，输出电压uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2。
V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量；VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈。
VD1、VD2称为反馈二极管,它又起着使负载电流连续的作用，又称续流二极管。
2）单相半桥电压型逆变电路,如图9：
图9单相半桥电压型逆变电路原理图
3）工作波形如图10：
图10单相半桥电压型逆变电路理论波形
4）优点：
电路简单，使用器件少。
缺点：
输出交流电压幅值为Ud/2，且直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡。
5）应用：
1、用于几kW以下的小功率逆变电源。
2、单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。
5、全桥逆变电路的基本概念
1）全桥逆变电路
（1）共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。
（2）两对桥臂交替导通180°。
（3）输出电压合电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。
（4）改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud来实现。
（5）阻感负载时，还可采用移相得方式来调节输出电压－移相调压。
V3的基极信号比V1落后q（0＜q＜180°）。
V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180°－q。
输出电压是正负各为q的脉冲。
改变q就可调节输出电压
图11单相全桥逆变移相调压原理图
图12单相全桥逆变移相调压理论波形
6、三相逆变电路的原理图
三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路，应用最广的是三相桥式逆变电路。
所设计三相逆变桥式电路的工作原理
图13三相逆变电路原理图
第三部分三相逆变电路参数的设计
一、具体电路的设计
1、三相逆变电路的原理电路图
图14三相电压型桥式逆变电路仿真电路
a\基本工作方式——180°导电方式
b\每桥臂导电180°，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120°。
c\任一瞬间有三个桥臂同时导通。
d\每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流
图15三相电压型桥式逆变电路的理论波形
2、计算公式
负载各相到电源中点N'的电压：
U相，1通，，4通，。
负载线电压：
（3-1）
（3-2）
（3-3）
负载相电压：
（3-4）
（3-5）
（3-6）
负载中点和电源中点间电压
（3-7）
负载三相对称时有（3-8）
于是
（3-9）
负载已知时，可由波形求出波形。
一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似。
负载的阻抗角不同的波形形状和相位都有所不同。
桥臂1、3、5的电流相加可得直流侧电流id的波形，id每60°脉动一次，直流电压基本无脉动，因此逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的，电压型逆变电路的一个特点。
防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源短路，应采取“先断后通”。
3、参数设计
先从电压型逆变入手，电压型逆变电路的特点：
（1）直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。
（2）输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。
（3）阻感负载时需提供无功功率。
为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。
我们以三相电压型逆变电路为例：
用三个单相逆变电路组合成一个三相逆变电路，其中，三相桥式逆变电路应用最为广泛。
采用IGBT作为开关器件的电压型三相桥式逆变电路如前面图所示，三相桥式逆变电路可以看成由三个半桥逆变电路组成。
在电路中，直流侧通常只有一个电容器就可以了，但为例分析方便，用2个串联的电容器，并假想中点N。
和单相半桥、全桥逆变电路相同，电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式也是180度导电方式，即每个桥臂的导电角度为180度，同一相（即同一半桥）上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差120度。
这样，在任一瞬间，将有3个桥臂同时导通。
可能是上面一个臂，下面两个臂，也可能是上面两个臂，下面一个臂同时导通。
因为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行的，因此也被称为纵向换流。
下面来分析电压型三相桥式逆变电路的工作波形。
对度U相输出来说，当桥臂1导通是，Uun=Ud/2,当桥臂4导通是，Uun=-Ud/2.因此，Uun的波形是幅值为Ud/2的矩形波。
V,W两相的情况和U相类似，Uvn,Uwn的波形形状和Uun相同，只是相位依次差120度。
4、三相逆变电路的具体电路图
a）主电路是从上述的三相电压型逆变电路上进一步进行仿真的，在图14的基础上，我们对电源，二极管，三极管的参数进行研究，运用公式1—8，及其公式变形，得出最后的器件参数（具体参数见图18）。
在对晶闸管的驱动电路上，采用电力电子书上的驱动保护电路（参数及器件见具体的仿真电路图16）
图16三相逆变电路的最终仿真电路图
b）三相逆变电路的仿真图
图17是三相逆变电路的三相负载的的仿真波形图，图18，图19和图20，是对三相负载的分别仿真，可以更加清楚的理解每相波形情况。
图17三相逆变电路的最终仿真电路的三相波形图
图18三相逆变电路的最终仿真电路A相波形
图19三相逆变电路的最终仿真电路b相波形
图20三相逆变电路的最终仿真电路c相波形
二、课程设计总结
电力电子课程设计在老师的指导和小组成员的共同努力下终于成功完成了，感谢老师的指导和同组成员的配合帮助，在此就所学到的知识和其他一些方面做个总结。
这次课程设计，首先我们巩固了我们上学期学习的电力电子技术这门专业课程，对其中开关电源的相关方面还有了一个深刻的认识并且实践了所学的东西，学会了使用电脑软件进行专业的仿真研究，为我们以后的毕业设计和工作中的使用打下了基础。
通过对本课题的研究，我充分认识到了三相电压型逆变电路的特点，
（1）直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。
（2）输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。
（3）阻感负载时需提供无功功率。
为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。
在课程设计过程中，我们组的成员相互配合，分工协作，搜集各种资料，运用到课程设计中，使我们对三相逆变电路加深了了解，同时通过OrCAD的使用，我们已经初步掌握了PSpice软件，也了解了很多三相逆变电路的实际应用。
俗话说“三个臭皮匠顶个诸葛亮”，这话确实在理。
一个人的力量是微小的，大家的力量才是强大的。
将理论和实际结合的过程是一个探索的过程，总会给我们带来惊喜。
通过三相逆变电路参数的课程设计，我对电力电子技术的应用有了更多的了解和认识。
此外，通过本课题的研究，也使我对PSpice软件有了一个较为深刻的认识，现代电力电子技术的发展、应用离不开高性能的电力电子EDA软件的发展。
PSpice软件具有强大的电路图绘制功能、电路模拟仿真功能、图形后处理功能和元器件符号制作功能，以图形方式输入，自动进行电路检查，生成网表，模拟和计算电路。
它的用途非常广泛，不仅可以用于电路分析和优化设计，还可用于电子线路、电路和信号与系统等课程的计算机辅助教学。
与印制版设计软件配合使用，还可实现电子设计自动化。
被公认是通用电路模拟程序中最优秀的软件，具有广阔的应用前景。
三、参考资料
1、电力电子技术王兆安黄俊主编机械工业出版社
2、从实例中学习OrCAD王辅春等编著机械工业出版社
3、电力电子电路的计算机仿真陈建业编著清华大学出版社
4、电路和系统的仿真研究张占松编著科技出版社
5、电子电路CAD--基于OrCAD9.2贾新章编著西安电子科技大学出版社
6、PSpice8.0电路设计实例精粹高伟涛编著国防工业出版社
7、MATLAB电子仿真与应用韩利竹编著国防工业出版社
第四部分PSPICE仿真软件概述
1、PSpice简介
随着电子计算机技术的发展，计算机辅助设计已经逐渐进入电子设计的领域。
模拟电路中的电路分析、数字电路中的逻辑模拟，甚至是印制电路板、集成电路版图等等都开始采用计算机辅助工具来加快设计效率，提高设计成功率。
而大规模集成电路的发展，使得原始的设计方法无论是从效率上还是从设计精度上已经无法适应当前电子工业的要求，所以采用计算机辅助设计来完成电路的设计已经势在必行。
同时，微机以及适合于微机系统的电子设计自动化软件的迅速发展使得计算机辅助设计技术逐渐成为提高电子线路设计的速度和质量的不可缺少的重要工具。
在电路设计工作方面，最初使用的是Protel公司DOS版本的Tango软件，在当时这一软件被看作是多么的先进，因为在这以前没有人能像电脑那样快速、准确的画出电路图，制出电路板。
如今，随着Windows95/98及NT操作系统的出现，一些更方便、快捷的电路设计软件应运而生。
如：
Tango、Protel、OrCAD、PSpice、ElectronicsWorkbench、VeriBest、PAD2000等。
PSpice是较早出现的EDA（ElectronicDesignAutomatic,电路设计自动化）软件之一，也是当今世界上著名的电路仿真标准工具之一，1984年1月由美国Microsim公司首次推出。
它是由Spice发展而来的面向PC机的通用电路模拟分析软件。
Spice（SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis）是由美国加州大学伯克利分校开发的电路仿真程序，它在众多的计算机辅助设计工具软件中，是精度最高、最受欢迎的软件工具。
随后，版本不断更新，功能不断完善。
基于DOS操作系统的PSpice5.0以下版本自80年代以来在我国得到广泛应用。
目前广泛使用的PSpice5.1以后版本是Microsim公司于1996年开发的基于Windows环境的仿真程序，并且从6.0版本开始引入图形界面。
1998年著名的EDA商业软件开发商OrCAD公司与Microsim公司正式合并，自此Microsim公司的PSpice产品正式并入OrCAD公司的商业EDA系统中,成为OrCAD/PSpice。
但PSpice仍然单独销售和使用，推出的最新版本为PSpice9.1。
PSpice软件具有强大的电路图绘制功能、电路模拟仿真功能、图形后处理功能和元器件符号制作功能，以图形方式输入，自动进行电路检查，生成网表，模拟和计算电路。
它的用途非常广泛，不仅可以用于电路分析和优化设计，还可用于电子线路、电路和信号与系统等课程的计算机辅助教学。
与印制版设计软件配合使用，还可实现电子设计自动化。
被公认是通用电路模拟程序中最优秀的软件，具有广阔的应用前景。
这些特点使得PSpice受到广大电子设计工作者、科研人员和高校师生的热烈欢迎，国内许多高校已将其列入电子类本科生和硕士生的辅修课程。
在国外，PSpice软件的使用非常流行。
在大学里，它是工科类学生必会的分析与设计电路工具；在公司里，它是产品从设计、实验到定型过程中不可缺少的设计工具。
世界各国的半导体元件公司为它提供了上万种模拟和数字元件组成的元件库，使PSpice软件的仿真更可靠，更真实。
PSpice软件几乎完全取代了电路和电子电路实验中的元件、面包板、信号源、示波器和万用表。
有了此软件就相当有了电路和电子学实验室。
2、PSpice的优越性
电路设计软件有很多，它们各有特色。
如Protel和Tango，它对单层/双层电路板的原理图及PCB图的开发设计很适合，而对于布线复杂，元件较多的四层及六层板来说OrCAD更有优势。
但在电路系统仿真方面，PSpice可以说独具特色，是其他软件无法比拟的，它是一个多功能的电路模拟试验平台，PSpice软件由于收敛性好，适于做系统及电路级仿真，具有快速、准确的仿真能力。
其主要优点有：
1）、图形界面友好，易学易用，操作简单
由Dos版本的PSpice到Windows版本的PSpice，使得该软件由原来单一的文本输入方式而更新升级为输入原理图方式，使电路设计更加直观形象。
PSpice6．0以上版本全部采用菜单式结构，只要熟悉Windows操作系统就很容易学，利用鼠标和热键一起操作，既提高了工作效率，又缩短了设计周期。
即使没有参考书，用户只要具备一定的英语基础就可以通过实际操作很快掌握该软件。
2）、实用性强，仿真效果好
在PSpice中，对元件参数的修改很容易，它只需存一次盘、创建一次连接表，就可以实现一个复杂电路的仿真。
如果用Protel等软件进行参数修改仿真，则过程十分繁琐。
在改变一个参数时，哪怕是一个电阻阻值的大小都需要重新建立网络表的连接，设置其他参数更为复杂。
3）、功能强大，集成度高
在PSpice内集成了许多仿真功能，如：
直流分析、交流分析、噪声分析、温度分析等，用户只需在所要观察的节点放置电压（电流）探针，就可以在仿真结果图中观察到其“电压（或电流）-时间图”。
而且该软件还集成了诸多数学运算，不仅为用户提供了加、减、乘、除等基本的数学运算，还提供了正弦、余弦、绝对值、对数、指数等基本的函数运算，这些都是其他软件所无法比拟的。
另外，用户还可以对仿真结果窗口进行编辑，如添加窗口、修改坐标、叠加图形等，还具有保存和打印图形的功能，这些功能都给用户提供了制作所需图形的一种快捷、简便的方法。
因此，Windows版本的PSpice更优于Dos版本的PSpice，它不但可以输入原理图方式，而且也可以输入文本方式。
无疑是广大电子电路设计师的好帮手。
3、PSpice的功能：
1）、直流分析：
包括电路的静态工作点分析；直流小信号传递函数值分析；直流扫描分析；直流小信号灵敏度分析。
在进行静态工作点分析时，电路中的电感全部短路，电容全部开路，分析结果包括电路每一节点的电压值和在此工作点下的有源器件模型参数值。
这些结果以文本文件方式输出。
直流小信号传递函数值是电路在直流小信号下的输出变量与输入变量的比值，输入电阻和输出电阻也作为直流解析的一部分被计算出来。
进行此项分析时电路中不能有隔直电容。
分析结果以文本方式输出。
直流扫描分析可作出各种直流转移特性曲线。
输出变量可以是某节点电压或某节点电流，输入变量可以是独立电压源、独立电流源、温度、元器件模型参数和通用（Global）参数（在电路中用户可以自定义的参数）。
直流小信号灵敏度分析是分析电路各元器件参数变化时，对电路特性的影响程度。
灵敏度分析结果以归一化的灵敏度值和相对灵敏度形式给出，并以文本方式输出。
2）、交流小信号分析：
包括频率响应分析和噪声分析。
PSPICE进行交流分析前，先计算电路的静态工作点，决定电路中所有非线性器件的交流小信号模型参数，然后在用户所指定的频率范围内对电路进行仿真分析。
频率响应分析能够分析传递函数的幅频响应和相频响应，亦即，可以得到电压增益、电流增益、互阻增益、互导增益、输入阻抗、输出阻抗的频率响应。
分析结果均以曲线方式输出。
PSPICE用于噪声分析时，可计算出每个频率点上的输出噪声电平以及等效的输入噪声电平。
噪声电平都以噪声带宽的平方根进行归一化。
它们的单位是V/Hz1/2。
3）、瞬态分析：
即时域分析，包括电路对不同信号的瞬态响应，时域波形经过快速傅里叶变换（FFT）后，可得到频谱图。
通过瞬态分析，也可以得到数字电路时序波形。
另外，PSPICE可以对电路的输出进行傅里叶分析，得到时域响应的傅里叶分量（直流分量、各次谐波分量、非线性谐波失真系数等）。
这些结果以文本方式输出。
4）、蒙特卡罗（MonteCarlo）分析和最坏情况（WorstCase）分析：
蒙特卡罗分析是分析电路元器件参数在它们各自的容差（容许误差）范围内，以某种分布规律随机变化时电路特性的变化情况，这些特性包括直流、交流或瞬态特性。
最坏情况分析与蒙特卡罗分析都属于统计分析，所不同的是，蒙特卡罗分析是在同一次仿真分析中，参数按指定的统计规律同时发生随机变化；而最坏情况分析则是在最后一次分析时，使各个参数同时按容差范围内各自的最大变化量改变，以得到最坏情况下的电路特性。
4、PSpice的配套软件
OrCAD是一个软件包，进行电路模拟分析的核心软件是PSpiceA/D，为使模拟工作做得更快更好，OrCAD软件包还提供了以下5个配套软件与之相配合。
1）、电路图生成软件：
其主要功能是人机交互方式在屏幕上绘制电路图，设置电路中元器件的参数，生成多种格式要求的电连接网表。
在该程序中可直接运行PSpice及其它配套软件。
2）、激励信号编辑软件：
其主要功能是以人机交互方式生成电路模板中需要的各种激励信号源。
包括瞬态分析中需要的脉冲、分段线性、调
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